Dans le cadre de la discrétisation par élément finis, les fissures sont décrites comme paires de surfaces interrompant la continuité du corps, et les comportements anélastiques du matériau sont décrits globalement par des lois cohésives, obtenues dans le cadre d'une approche thermodynamique. L'approche développée ici permet aux surfaces cohésives de se développer selon les frontières des éléments solides. Ainsi, une procédure automatique capable de modifier de manière adaptative la topologie d'un maillage a été développée. Bien qu'un tel choix puisse réduire la possibilité de décrire exactement le chemin de la fissure, le procédure a été validée par la simulation de nombreuses expériences de rupture dynamique. Des applications à la rupture dynamique de matériaux fragiles classiques, de matériaux ductiles, de polymères et composites, et de tissus biologiques ont montré que la méthodologie est capable et prédictive. Dans le contexte de problèmes dynamiques, la présence d'une échelle temporelle caractéristique confère aux modèles cohésifs une dépendance en vitesse. Pour conclure ce travail, nous proposons une nouvelle façon de décrire le comportement d'un matériau basée sur les théories cohésives. Le modèle construit explicitement des microstructures particulières basées sur l'introduction de surfaces cohésives equi-espacées dans une matrice solide. Le modèle décrit l'élasticité, la nucléation des défauts et le comportement cohésif et frictionnel. Les microstructures peuvent caractériser ainsi le matériau sur plusieurs échelles de longueur. Un tel modèle est approprié pour décrire le comportement dynamique des matériaux fragiles sous chargement compressif jusqu'à rupture / In the framework of finite element discretization, cracks are modelled explicitly as a pair of surfaces breaking the continuity of the body, and the inelastic behaviors exhibited by the are described globally through cohesive laws derived from a sound thermodynamic background. The approach pursued here allows the cohesive surfaces to develop along boundary surfaces of solid elements. An automatic procedure able to modify adaptively geometry and topology of a solid mesh has been developed. Although such choice may reduce the possibility to describe accurately the crack path, since the crack segments are intrinsically dependent on the initial mesh size, the procedure has been validated through the simulation of a number of dynamic fracture experiments. Applications to dynamic fracture of classic brittle materials, ductile materials, polymers and composites, and biological tissues proved that the methodology is reliable and highly predictive. The presence of a characteristic time scale confers to cohesive models combined with dynamics an intrinsic rate-dependence without the need of modelling viscosity explicitly. As closing part of this work, we propose an innovative material model based on cohesive theories. We directly construct special micro-structures by distributing equi-spaced cohesive surfaces in a continuum material. The model accounts for elasticity of the bulk, nucleation of faults and cohesive and frictional behavior. Micro-structures can the material with several length scales. Such material model is suitable to describe the dynamic behavior up to failure of brittle materials, undergoing compressive loading

Cette thèse a pour objectif d'étudier la modélisation et la résolution numérique de la macroségrégation pendant la solidification de lingots d'alliages métalliques binaires. La macroségrégation est une hétérogénéité de la concentration en éléments d'alliages à l'échelle du lingot. Ces changements de concentration affectent de manière importante les propriétés mécaniques et chimiques du matériau. Il est donc essentiel de pouvoir prédire ces hétérogénéités pour assurer la qualité des lingots. Après avoir décrit le contexte tant industriel que bibliographique de ce travail, nous préciserons les différents modèles implémentés dans le code de calcul THERCAST, un logiciel de solidification développé au CEMEF. La description des équations macroscopiques employées sera précédée d'une discussion sur la manière de valider la modélisation de la macroségrégation. Nous aborderons ensuite la théorie du remaillage adaptatif et nous décrirons les éléments essentiels de la stratégie de remaillage développée dans le cadre de cette thèse. Ces modèles seront appliqués à la simulation de la solidification de plusieurs lingots. La validation se fera sur un lingot de petite taille par comparaison avec des résultats expérimentaux et des simulations avec d'autres logiciels. Ensuite nous analyserons en détail les prédictions de THERCAST sur un lingot plan, un lingot 3D similaire à un lingot industriel et finalement un lingot plus petit qui nous permettra une étude numérique plus complète. Les limitations de notre modélisation et les phénomènes qu'elle a permis de mettre en évidence seront enfin discutés et permettront de définir quelques orientations intéressantes pour poursuivre cette étude de la macroségrégation.

L'objectif de notre travail est de réduire le temps de calcul des procédés multiphysiques incrémentaux, tout en conservant avec précision l'histoire du calcul et en prenant en compte l'aspect multiphysique. Notre choix est tombé sur la méthode MultiMaillages MultiPhysiques (MMMP). Le principe de la méthode consiste à utiliser pour chaque physique un Maillage de Calcul qui lui est optimal, et à considérer un Maillage Référence pour le stockage des résultats. Étant donné que l'application principale de notre travail de thèse est le procédé de martelage qui est un procédé couplé thermomécaniquement, on a appliqué la méthode MMMP à ce procédé en considérant 2 maillages : un maillage pour le calcul mécanique et un autre pour le calcul thermique que l'on a aussi utilisé comme Maillage Référence. La particularité du procédé de martelage est que la déformation plastique est localisée dans la zone de contact avec les outils, et à l'extérieure de cette zone la déformation est négligeable. Le maillage Mécanique est généré en se basant sur cette particularité : il est divisé en deux zones, une zone qui a une taille de mailles fine, c'est la zone de déformation (zone de contact avec les outils) et une autre, constituée par le reste du maillage c'est-à-dire là où il ne se passe presque rien ; dans cette zone on a considéré une taille déraffinée égale à deux fois la taille fine. Pour améliorer la qualité du transport qui est fait par la méthode d'interpolation inverse on a utilisé trois techniques : la première consiste à grader la zone de déformation dans le Maillage Mécanique telle qu'elle est dans le Maillage Référence, la deuxième consiste à déraffiner la zone de faible déformation par un déraffinement emboîté par nœuds, c'est à dire en éliminant des nœuds sons ajouter ou bouger les nœuds existants et la troisième concerne les variables élémentaires telles que la déformation généralisée et consiste à ne pas transporter cette variable mais à la recalculer sur le maillage d'arrivée à partir de la vitesse. Le coût élevé du transport est réduit à moins de 1 % du temps total par une technique de transport sans relocalisation qui consiste à faire la localisation du maillage d'arrivée dans le maillage de départ uniquement au premier incrément et utiliser cette localisation pour les autres incréments. Le partitionnement du Maillage Mécanique est fait indépendamment du Maillage Référence, ce qui améliore l'efficacité parallèle de la méthode. L'accélération MMMP est excellente, elle varie entre 4 et 18 en fonction du nombre de degrés de liberté, du nombre d'incréments et de la configuration de calcul. En parallèle elle chute un peu puisque le Maillage Mécanique du calcul Multimaillage a moins de degrés de liberté que le Maillage du calcul Monomaillage, cependant la méthode continue à nous offrir des accélérations même sur un très grand nombre de processeurs.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal.

Le découpage mécanique des métaux est un procédé très utilisé dans l'industrie. Il permet notamment de réaliser des composants de formes plus ou moins complexes dédiés à l'industrie électronique. Cependant, il nécessite le réglage et le contrôle de nombreux paramètres. Or, le contexte industriel actuel rend les méthodes fondées sur le savoir-faire des opérateurs inadaptées. L'objet principal de cette thèse est donc de proposer un outil d'aide à la mise au point d'un découpage par le biais de la simulation numérique. La modélisation repose sur une analyse mécanique complète du comportement matériel de la tôle. La sensibilité du matériau à la vitesse de déformation et à la température est prise en compte par l'intermédiaire d'un modèle thermo-élasto-viscoplastique dans un cadre adiabatique. Les mécanismes d'endommagement et de rupture sont également pris en compte dans la modélisation. Un logiciel de simulation spécifiquement dédié au découpage a été développé. Il est basé sur la méthode des éléments finis et repose sur une modélisation bi-dimensionnelle du procédé. En parallèle aux développements numériques, un dispositif expérimental a été conçu et réalisé au cours de ces travaux, afin de valider les modèles mécaniques retenus. Les applications présentées dans ce mémoire illustrent l'apport de la simulation numérique pour les entreprises spécialisées.

Pour la prédiction de l'anisotropie mécanique induite par la microstructure du métal ainsi que le suivi de l'évolution de la texture cristallographique lors de la simulation des procédés de mise en forme, nous utilisons le couplage de la méthode EF à un modèle polycristallin. Pour ce type de couplage, le polycristal est souvent modélisé par sa texture discrétisée, qui est habituellement considérée à chaque point d'intégration du maillage, générant ainsi des temps de calcul très élévés. Afin de diminuer le temps de calcul de ce type d'approche, nous utilisons dans ce travail le concept des particules Lagrangiennes. Les particules Lagrangiennes permettent de subdiviser le volume étudié en cellules. Au lieu de considérer une texture par point d'intégration, la texture est distribuée sur les points d'intégration d'une même cellule. Ainsi, sur chaque point d'intégration du maillage, seule une partie de la texture est considérée, diminuant par conséquent le nombre total de textures placées dans le maillage et le temps de calcul. De plus, lors des simulations des procédés de mise en forme en grandes déformations, le remaillage est souvent nécessaire. L'introduction de particules Lagrangiennes dans le maillage permet de transporter les variables microstructurales, alors que certaines ne peuvent l'être par les méthodes de transport classiques. Cette méthode basée sur le concept des particules Lagrangiennes a été validée à l'aide des expériences suivantes: compressions uniaxiales d'éprouvettes issues d'un acier brut de solidification présentant une texture marquée dans sa zone colonnaire induite par le procédé de solidification, et compressions sur génératrice d'un alliage d'alumium, présentant une texture marquée induite par le filage. La méthode mise en place dans ce travail est présentée dans le cadre général de la simulation de procédés de mise en forme en grandes déformations, où les variables microstructurales du matériau évoluent et déterminent la loi de comportement de celui-ci.

La plupart des méthodes de calcul utilisées en mécanique des solides, pour résoudre des problèmes non stationnaires sont basées sur un découpage entre le temps et l'espace. Dans la majorité des logiciels existants, les calculs s'effectuent par une discrétisation de l'espace en utilisant des méthodes, comme, par exemple, la Méthode des Éléments Finis et ensuite, une discrétisation en temps par différences finies. On pourrait se demander : que se passerait-il si la discrétisation en espace et en temps s'effectuait sans aucune séparation ? De là, beaucoup de questions se posent, entre autres : serait-il possible de gagner en temps de calcul et en précision ? En résumé, quel est l'intérêt de cette méthode ? La Méthode des Éléments Finis Espace-Temps (STFEM) que nous présenterons dans ce mémoire se distingue des autres méthodes du fait de la possibilité de non séparation des variables espace et temps.

Les méthodes particulaires sont des méthodes numériques adaptées à la résolution d'équations de conservation. Leur principe consiste à introduire des particules ''numériques'' conservant localement l'inconnue sur un petit volume, puis à les transporter le long de leur trajectoire. Lorsqu'un terme source est présent dans les équations, l'évolution de la solution le long des caractéristiques est prise en compte par une intéraction entre les particules. Ces méthodes possèdent de bonnes propriétés de conservation et ne sont pas soumises aux conditions habituelles de CFL qui peuvent être contraignantes pour les méthodes Eulériennes. Cependant, une contrainte de recouvrement entre les particules doit être satisfaite pour vérifier des propriétés de convergence de la méthode. Pour satisfaire cette condition de recouvrement, un remaillage périodique des particules est souvent utilisé. Elle consiste à recréer régulièrement de nouvelles particules uniformément réparties, à partir de celles ayant été advectées à l'itération précédente. Quand cette étape de remaillage est effectuée à chaque pas de temps, l'analyse numérique de ces méthodes particulaires remaillées nécessite d'être reconsidérée, ce qui représente l'objectif de ces travaux de thèse. Pour mener à bien cette analyse, nous nous basons sur une analogie entre méthodes particulaires avec remaillage et schémas de grille. Nous montrons que pour des grands pas de temps les schémas numériques obtenus souffrent d'une perte de précision. Nous proposons des méthodes de correction, assurant la consistance des schémas en tout point de grille, le pas de temps étant contraint par une condition sur le gradient du champ de vitesse. Cette méthode est construite en dimension un. Des techniques de limitation sont aussi introduites de manière à remailler les particules sans créer d'oscillations en présence de fortes variations de la solution. Enfin, ces méthodes sont généralisées aux dimensions plus grandes que un en s'inspirant du principe de splitting d'opérateurs. Les applications numériques présentées dans cette thèse concernent la résolution de l'équation de transport sous forme conservative en dimension un à trois, dans des régimes linéaires ou non-linéaires.

L'objet de cette thèse est la mise en place d'une boucle automatique pour le calcul de flux d'air conditionné dans des géométries complexes. Ce problème est régie par les équations de Navier-Stokes incompressible corrigées par un terme de Boussinesq et couplées avec une équation de température à flux convectif. <br />Nous avons utilisé une méthode d'adaptation de maillage anisotrope basée sur les longueurs d'arêtes avec respect d'une métrique discrète. Une méthode de remaillage local, avec une version anisotrope de l'insertion d'un point par une méthode de Delaunay, a été implémentée pour adapter les maillages.

Mémoire numérisé par la Division de la gestion de documents et des archives de l'Université de Montréal